Este documento describe las fibras de carbono, incluyendo su proceso de fabricación, tipos, propiedades y aplicaciones. Las fibras de carbono se fabrican calentando fibras precursoras como el poliacrilonitrilo a altas temperaturas en atmósfera inerte para eliminar todos los elementos excepto el carbono. Se usan principalmente para reforzar materiales compuestos, donde su ligereza y alta resistencia mecánica los hacen ideales para la industria aeroespacial y automotriz.

1. INSTITUTO TECNOLOGICO DE SALTILLO.
MATERIALES COMPUESTOS.
FIBRAS DE CARBONO.
DANTE ITURIEL OJEDA LEOS
HECTOR MARIO COLIN JARAMILLO
JONATHAN SANCHEZ GUTIERREZ
SERGIO EDWIN JIMENEZ VILLARREAL
04 de marzo de 2014

2. FIBRA DE CARBONO.
• La fibra de carbono es un material compuesto, no metálico de tipo
polimérico, formado por fibras de 50-10 micras de diámetro, compuesto
principalmente de átomos de carbono. Varios miles de fibras de carbono están
trenzados para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejido en
una tela.
• Las fibras de carbono se combinan con otros materiales para formar un
compuesto. Básicamente se combina un tejido de hilos de carbono (refuerzo), el
cual aporta flexibilidad y resistencia, con una resina termoestable
(matriz), comúnmente de tipo epoxi, que se solidifica gracias a un agente
endurecedor y actúa uniendo las fibras, protegiéndolas y transfiriendo la carga por
todo el material.

3. • Las fibras de carbono (FC), son solidos que presentan una morfología fibrosa en
forma de filamentos, o una trenza de estos, y con un contenido mínimo en
carbono del 92% en peso.
• Sus principales características son su elevada resistencia mecánica, y su peso
ligero (baja densidad).
• Este polímero es obtenido a partir de otro polímero llamado poliacrilonitrilo
(PAN), el cual consiste en hebras muy finas de carbono (tan delgadas como el
cabello humano) que son trenzadas, las cuales se tuercen y se agrupan
continuamente para la formación de un hilo de varias hebras, se coloca sobre un
molde y encima se le vierte una resina o plástico para pegar estos hilos tejidos y
darles forma a sus diversas aplicaciones.
• Un solo filamento tiene un diámetro de 50 a 10 micras de diámetro, menos de lo
que mide un cabello humano.

4. Historia.
Las primeras fibras de carbono utilizadas industrialmente se
deben a Edison, el cual preparo fibras por carbonización de
filamentos de fibras de bambú (celulosa) y fueron utilizadas en la
preparación de filamentos para lámparas incandescentes. En
1958, Roger Bacon investigador de Unión Carbide creó fibras de
alto rendimiento de carbono. Estas fibras se fabricaban mediante
el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos.

5. El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en
1963 en un proceso que fue patentado, y luego autorizado a
tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds.
En 1966 se consiguió obtener fibras de carbono de alto modulo
y tensión de ruptura a partir de fibras de PAN (Poliacrilonitrilo).
En esta época también se desarrollaron fibras de carbono
obtenidas a partir de breas de carbón y petróleo, y de resinas
fenólicas, sin embargo estas fibras presentaban propiedades
mecánicas inferiores.

6. En 1981. McLaren presenta el primer coche de formula 1 construido
con fibra de carbono.
En 1991. Ultimo gran fabricante británico de fibra de
carbono, Courtaulds, finaliza la producción.
En la década de los 80 se prepararon fibras de carbono a partir de
breas de ultra-alto modulo elástico para su utilización en un número
limitado de aplicaciones que requieren fibras de muy altas
prestaciones.
Y en 2007. Boeing presenta el Dreamliner – el primer avión
principalmente construido con materiales compuestos.

7. Proceso de fabricación; Síntesis de la fibra (refuerzo).
En síntesis, la fibra de carbono se produce por la quema controlada del
oxígeno, nitrógeno y otros elementos diferentes al carbono de la fibra
precursora, dejando solo el carbono en el material. A continuación se detallan los
pasos del proceso
El 1º paso es estirar las fibras de PAN y darles la orientación molecular requerida
para que puedan tener estabilidad dimensional y de esta manera evitar que se
fundan en el siguiente proceso. En el 2º paso, se oxida el polímero a 200-300 ºC
en aire, un proceso que añade oxígeno a la molécula de PAN y crea la estructura
hexagonal. El polímero que antes era blanco, ahora es negro.

8. 3º paso: Carbonización. una vez que las fibras han adquirido estabilidad, son
sometidas a temperaturas superiores a los 1.000ºC bajo una atmósfera inerte.
Durante este periodo de calentamiento los átomos de nitrógeno e hidrógeno
desaparecen y los anillos hexagonales de carbono puro se orientan a lo largo de toda
la longitud del hilo. (fibras de resistencia media)
Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al mismo tratamiento térmico
de carbonización pero ahora el PAN se calienta a 2000-2500 ºC en atmósfera sin
oxígeno, se alinean las cadenas del polímero hasta formar hojas de grafeno, cintas
delgadísimas, bidimensionales con una resistencia a la tracción de 5.650 N/mm2.

9. 4º paso. Grafitización: es un nuevo tratamiento de calentamiento a
temperaturas, por encima de 2000ºC, el tamaño de los cristales de carbono
aumenta y mejora la orientación de los anillos en la fibra. Si calentamos el PAN a
2500-3000 ºC conseguimos la resistencia máxima de la FC: 531.000 N/mm2.
Una vez la resina curada, endurecida, hay
que darle forma mecánicamente, para
conseguir el producto acabado.
5º Tratamiento de superficie: finalmente, la fibra pasa a
través de una cámara donde se le aplica un producto
catalizador que promueve la adhesión de la fibra a la resina.
Ahora es el momento de tejer la fibra, para formar láminas y
tubos, que serán luego impregnados en una resina epoxi en
un molde.

10. Hasta este punto se obtiene el producto primario: filamentos individuales de
carbono, también llamados mechas, con un diámetro que oscila entre 5 y 8
micras (µm), que son trenzados entre sí en grupos de 5.000 y 12.000 mechas
y otros de 120.000 a 400.000 filamentos, estos hilos se venden en el
mercado en forma rollos de 50 y 100 metros de fibra.
Una vez se tienen los filamentos o hilos de (FC), estos son entretejidos para
conformar una malla o tela de carbono, la cual finalmente, se usa para la
obtención de las láminas de fibra de carbono, al ubicarla perfectamente en
un molde e impregnarla con la resina y el catalizador.

11. Hay diferentes procesos para la impregnación, industrialmente se utiliza la
transferencia, inyección e infusión, pero también hay quienes hacen el
trabajo de forma manual, con brochas, espátulas o pistola.
• En el método por transferencia de resina (RTM); Se genera vacío en un
molde cerrado y precalentado, con el tejido de carbono seco en su
interior, para, a continuación transferir la resina a presión hasta llenar el
molde. De forma similar, se hace en el sistema por inyección, con la
variante que puede utilizarse tanto en moldes cerrados como abiertos y
con bolsa de vacío.
• Por su parte, en la infusión (RTI); La resina en forma de película
semidura, se coloca en el molde al mismo tiempo que el tejido seco. Al
aplicar calor y presión la resina se difunde por la fibra, hasta impregnarla
completamente. Este proceso puede realizarse en un horno autoclave.

12. • El mercado ofrece también rollos de cinta del material
previamente impregnado (prepreg), que en su mayoría debe
ser curado en hornos a temperaturas que varían entre 160ºC
y 300ºC por un tiempo de entre 8 a 16 horas.
• Las fibras ofrecen sus mejores propiedades cuando se
entretejen en la dirección de las tensiones, es decir, que en un
caso ideal deberían alinearse las direcciones de las fibras con
la dirección de la fuerza exterior.
• Por esta razón, una pequeña pieza puede soportar el impacto
de muchas toneladas y deformarse mínimamente.
Prepeg de tejido híbrido de
carbono y aramida / resina epoxi

13. • Fabricación del Material Compuesto, Resina epoxi (matriz).
El segundo componente básico de la fibra de carbono es la resina. La más
utilizada es la resina epoxi, el diglicidileter de bisfenol, cuya dureza supera
a la de otras como las de poliéster y viniléster, por ello puede
desempeñarse a temperaturas muy altas, más de 180ºC, tiene buena
adherencia a muchos sustratos, baja concentración durante la
polimerización y es especialmente resistente a los ataques de la corrosión
y agentes químicos.
La función de la matriz en el material compuesto, además de protegerlas
contra las condiciones ambientales o agentes mecánicos que pudieran
dañarlas, es permitir la transferencia de tensiones entre ellas, en
esfuerzos de tracción y soportarlas, para evitar su pandeo.

14. • Estructura y propiedades.
La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del
grafito, que consiste en láminas de átomos de carbono (láminas
de grafeno) dispuestos siguiendo un patrón hexagonal regular. La
diferencia radica en la forma en que se vinculan las láminas. El
grafito es un material cristalino en el cual las láminas se apilan
paralelas entre sí de manera regular. Las fuerzas
intermoleculares entre las láminas son relativamente débiles
(fuerzas de Van der Waals), dando al grafito sus características
blandas y quebradizas.

15. Dependiendo del precursor para hacer la fibra, la fibra de carbono
puede ser turbostráticas o grafíticas, o tienen una estructura híbrida
con las partes presentes tanto en grafíticas y turbostráticas. En fibra
de carbono turbostráticas las láminas de átomos de carbono se apilan
al azar o en forma irregular. Las fibras de carbono derivadas del
poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de
carbono derivadas de la brea de mesofase son grafíticas después del
tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2.200°C. Las fibras
de carbono turbostráticas tienden a tener alta resistencia a la
tracción, mientras que un tratamiento térmico en la brea deriva en
fibras de carbono con un alto módulo de Young (es decir, baja
elasticidad) y alta conductividad térmica.

16. • Tipos de fibra de carbono.
Hay varios tipos de fibras, dependiendo de las diferentes temperaturas de
calentamiento que se le da a la fibra y se obtienen las siguientes:
• La fibra de carbono de alto módulo (HM): Es la más rígida y requiere la mayor
temperatura en el tratamiento. Su módulo de elasticidad supera los 300 y aun los
500 GPa.
• La fibra de carbono de alta resistencia a la tracción(HR): Es la más fuerte y se
carboniza a la temperatura que proporciona la mayor resistencia a la tracción, con
valores superiores a 300 GPa.
• La fibra de carbono (III) o fibra estándar: Es la más económica; la rigidez es menor
que en las anteriores pero la resistencia es buena; la temperatura de tratamiento
es más baja. Se comercializa como fibras cortas.
• La fibra de carbono activada: Tiene una velocidad de adsorción 100 veces superior
a la de los carbones clásicos activados. Se obtiene mediante carbonización y
activación física y química de distintos precursores: breas, rayón, poliacetatos, etc.
La fibra se presenta en forma de fieltros o telas.
• FC crecida en fase de vapor: Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico
de depósito superficial químico en fase de vapor (en inglés: VGCF vapour ground
carbon fibres).

17. • Tipos de fibra.
Las fibras de carbono se suelen clasificar atendiendo a dos criterios: Tipo de precursor y Valor de
su módulo de elasticidad. De acuerdo con el segundo criterio se distinguen cinco clases, o
calidades, de fibras: SM (“Standard modulus”), UHM (“Ultra-high modulus”), HM (“High
modulus”), HT (“High tenacity-high strength”) o IM (“Intermediate modulus”), y LM (“Low
modulus”).
•
(a) Fibras para usos generales; (b) fibras para aplicaciones aeroespaciales.
Valores de propiedades para fibras obtenidas a partir de PAN como precursor.*

19. • Aplicaciones La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar
materiales compuestos, para obtener materiales conocidos como plásticos
reforzados con fibra de carbono (PRFC). Las técnicas utilizadas para
materiales poliméricos son: moldeo manual (hand lay up), espreado (spray
lay up), pultrusión, bobinado de hilo, compresión, RTM, etc. La fibra de
carbono también tiene uso en la filtración de gases a alta
temperatura, como electrodo de gran superficie e impecable resistencia a
la corrosión, y como un componente anti--estático.
Las demandas más fuertes provienen de las industrias aeronáutica y
aeroespacial, de la energía eólica, así como de la industria automotriz.

20. Conclusión.
Las fibras de carbono presentan una combinación de características que
compensa sus precios y las convierten, para determinadas
aplicaciones, en una alternativa valiosa. Sobresalen por poseer un
excelente conjunto de propiedades mecánicas, entre las que se destacan:
su baja densidad, ligereza, resistencia mecánica y química, y libertad de
formas. En general, superan las ofrecidas por los diferentes tipos de
aceros, hierros y aluminio.
También brindan la seguridad gracias a una mejor resistencia a los
impactos y al fuego, ofreciendo un mejor aislamiento térmico y eléctrico.
Es cierto que el costo de fabricación de la fibra de carbono es superior al
de los materiales tradicionales como el acero, sin embargo, ahorrando
piezas de enlace y mecanización, reduciendo de manera importante los
gastos de mantenimiento y aumentando la vida útil y la seguridad, las
ventajas pueden valorizarse en términos de beneficios con el uso.

21. • Bibliografía.
• http://www.metalactual.com/revista/11/materialescarbono.pdf
• http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.mx/2011/11/fibra-de-
carbono.html
• http://www.ehu.es/zorrilla/juanma/automovil/carbono.htm
• http://www.ecured.cu/index.php/Fibra_de_carbono
• http://www.puzzlecarbono.com/materiales_carbono.php
• http://tecnoblogueando.blogspot.mx/2013/01/fibra-de-carbono-la-fibra-
de-carbono.html